背景介绍
谷子（Setaria italica）是中国最古老的作物之一，因其二倍体基因组、短生长周期和自花授粉特性，被视为有潜力的C4模式植物。近年来，谷子在基础研究与育种领域取得显著进展，包括高效转化体系建立、端粒到端粒（T2T）基因组组装、泛基因组分析及功能研究。然而，育种材料遗传多样性有限以及目标突变体鉴定效率低，仍是复杂农艺性状改良和功能基因组学研究面临的主要挑战。
文章介绍
2025年3月3日，中国农业科学院作物科学研究所贾冠清研究员、刁现民研究员与贺强研究员作为共同通讯作者，在国际知名期刊Plant Biotechnology Journal发表题为“An efficient target-mutant screening platform of model variety Ci846 facilitates genetic studies of Setaria”的简报文章。该研究构建了谷子模式品种Ci846的基因组突变体库及定向突变筛选数据库，为谷子功能基因组研究和分子设计育种提供了高效工具。
研究成果
大规模突变体库构建与基因组变异图谱绘制
为拓展谷子遗传资源并提升突变体筛选效率，研究团队以模式品种Ci846为基础——该品种具备成熟转化系统和高效的室内研究平台，构建了包含9243个M2株系的突变体库。其中775个株系（8.38%）在田间表现出可观察的形态变异（图1a,b）。随后对4109株M2植株采用混池测序策略，共获得205个测序池，产生1950.76 Gb双端reads数据，每池测序量介于8.6–12.2 Gb，平均深度达22x（图1c），是目前作物中规模最大的精确基因型突变体数据集。
清理后的序列比对至Yugu1-T2T参考基因组，平均比对率达98.21%±0.37%，覆盖率达94.24%±0.37%。在205个混池中共鉴定出2,899,449个变异，全基因组平均突变密度为1/29.70 Kb（图1d）。每个混池平均含1,658,170±11,422个SNP和252,784±2,402个indel。其中A9池变异最多（1,989,562个），A173最少（1,875,480个）。C/G→T/A转换最为常见（占38.7%），Thr/Val→Ala氨基酸替换频率较高（变化率分别为1.42%和1.46%）（图1e）。
插入缺失长度分布为1–31 bp，平均12 bp，最常见的类型为1 bp缺失（104,581例）。功能区域突变分布显示：基因间区2,368,808个，上游区1,850,547个，下游区1,770,535个，内含子413,011个，UTR区192,335个，外显子248,522个，其中错义突变128,578个，剪接位点突变13,528个，移码插入/缺失961个，终止密码子突变2,851个（图1e）。
功能验证：关键农艺性状突变体的定位与克隆
为验证突变体库的应用价值，研究人员从M2群体中筛选到一个极早抽穗突变体eEhd36，表现为植株矮小、茎秆细长，抽穗期较野生型Ci846提前35天，并在M2至M5代稳定遗传（图1g）。通过BSA-seq结合精细定位，成功将候选基因锁定在9号染色体50.08–50.17 Mb区间内的SiPHYB（Seita.9G427800），该基因已知参与调控开花过程。进一步发现其第二外显子存在C→T突变，导致终止密码子提前出现（CAG→TAG）（图1h），证实SiPHYB为致病基因。
反向遗传学应用：快速筛选功能基因突变体
为展示突变体库在反向遗传研究中的实用性，研究团队选取叶色相关基因SiYGL1（Seita.9G041600）进行验证。该基因调控叶片黄化及光能利用效率，可作为育种标记。基于205个混池的变异数据，发现A9池含有SiYGL1变异。对该池20个株系进行Sanger测序，鉴定出两个纯合突变体ygl-A9-12和ygl-A9-14，均携带C→T突变，导致Val637→Ile氨基酸替换。
生理测定显示，突变体叶绿素a含量分别为1.34±0.038 mg/g FW和1.41±0.029 mg/g FW，低于野生型（1.471±0.018 mg/g FW）；叶绿素b含量为0.426±0.04 mg/g FW和0.446±0.027 mg/g FW，显著低于对照（0.620±0.007 和 0.621±0.044 mg/g FW）；总叶绿素含量亦明显降低（1.766±0.077 和 1.852±0.056 mg/g FW vs. 2.116±0.015 和 2.092±0.062 mg/g FW），表明这两个突变体中SiYGL1的变异确为叶色变化的致因等位基因（图1i）。结果证明该突变体库可用于高效挖掘功能基因。
图1 突变体库的构建与利用
数据库建设与应用前景
为提升靶向突变筛选效率，研究团队整合表型与基因组数据，建立了狗尾草属目标突变体快速鉴定平台，所有数据可通过Setaria-DB网站（www.setariadb.com/millet/mutation）公开访问（图1f）。本研究构建的Ci846突变体库及全基因组变异扫描系统，实现了基因组突变与农艺性状的有效关联，为谷子功能基因研究提供重要资源，也将加速这一古老禾本科作物的现代遗传改良进程。
文章信息：Zhang H, Liang H, Zhi H, Yuan D, Yao Q, Zhang R, Xing L, Yang B, Sang L, Zhao L, Tang S, Wang L, Wang H, Ren Y, Zhang H, Zhang Y, Wang E, Man X, Xu G, Zhang L, He Q, Diao X, Jia G. An efficient target-mutant screening platform of model variety Ci846 facilitates genetic studies of Setaria. Plant Biotechnol J. 2025 Mar 3.